Программный комплекс для оптимизации оптимальной толщины теплоизоляции при реконструкции тепловых сетей

Программный комплекс для оптимизации оптимальной толщины теплоизоляции при реконструкции тепловых сетей

В.Г. Хромченков, зав. лаб.,

Ю.В. Яворовский, к.т.н., доцент,

Т.Ю. Полуэктова, аспирант,

кафедра «Промышленные теплоэнергетические системы»,

Московский энергетический институт,

А.Ю. Самарин, ООО «ЭРКОН-технолоджи»

В современных условиях необходимым фактором экономически эффективного функционирования промышленных предприятий, а также предприятий, снабжающих теплом различных потребителей и в первую очередь ЖКХ, является рациональное использование тепловой энергии. Определяющая роль в снижении тепловых потерь при транспорте теплоносителя принадлежит тепловой изоляции.

По приближенным оценкам повышение теплозащитных свойств теплоизоляционных конструкций промышленных сооружений, оборудования и трубопроводов, систем централизованного теплоснабжения и ограждений зданий в состоянии обеспечить экономию энергоресурсов в объеме более 20 млн. т у.т.

От качества теплоизоляционной конструкции теплопровода зависят значения тепловых потерь и его долговечность, так как эта конструкция одновременно защищает наружную поверхность трубы от коррозии.

В связи с этим становится актуальной проблема расчета потерь теплоты при транспорте теплоносителя с учетом влияющих факторов, а также определение наиболее эффективной конструкции тепло и хладопроводов, которая обеспечивает экономически обоснованные потери тепла и холода.

На сегодняшний день определение потерь тепла при транспорте теплоносителя является важной задачей, как для самих производителей тепловой энергии, так и ее потребителей, так как получаемые результаты влияют на конечную величину тарифа на тепловую энергию. Знание величины тепловых потерь позволяет также правильно выбирать мощности основного и вспомогательного оборудования ЦТП и, в конечном счете, источника тепловой энергии.

Величина тепловых потерь при транспорте теплоносителя может стать решающим фактором при выборе структуры системы теплоснабжения с возможной ее децентрализацией, выбором температурного графика тепловой сети и др. тепловой потеря теплоноситель расчет В целом, можно выделить несколько основных направлений, когда требуется проведение соответствующих расчетов тепловых потерь при транспорте теплоносителя:

• 1. Определение нормативных тепловых потерь, как с поверхности изоляции трубопровода, так и с нормативными утечками теплоносителя. Это тем более важно в настоящее время в связи с требованием (приказом) Министерства энергетики [1] о проведении таких расчетов всеми теплоснабжающими организациями, отпускающими тепловую энергию населению. Нормативные потери тепла напрямую учитывают основные влияющие факторы: длину трубопровода, его диаметр и температуры теплоносителя и окружающей среды. Не учитывают только фактическое состояние изоляции трубопроводов. Нормативные тепловые потери должны рассчитываться для всей ТС с определением потерь тепла с утечками теплоносителя и с поверхности изоляции всех трубопроводов, по которым осуществляется теплоснабжение от имеющегося источника тепла. Причем эти расчеты должны выполняться как в плановом (расчетном) варианте с учетом среднестатистических данных по температуре наружного воздуха, грунта, продолжительности отопительного периода и т. д., так и уточняться в конце его по фактическим данным указанных параметров, в том числе с учетом фактических температур теплоносителя в прямом и обратном трубопроводе.
• 2. Определение тепловых потерь и потерь холода (при транспорте хладагента), с поверхности трубопровода до и после нанесения тепловой изоляции, с определением экономической эффективности работ по изоляции трубопроводов и сроков окупаемости. Данные расчеты часто проводятся при энергетическом обследовании предприятий.
• 3. Определение оптимальной толщины изоляционного покрытия с учетом энергетических и экономических показателей для известных способов прокладки трубопроводов. В практике проведения работ по изоляции неизолированных трубопроводов или замене изоляционного покрытия практически отсутствуют случаи определения оптимальной его толщины перед закупкой тепловой изоляции, что в итоге приводит к финансовым потерям. В основном это связано с отсутствием соответствующих программ расчета у теплоснабжающих и теплопотребляющих предприятий и непониманием руководителей энергослужбы предприятий важности данной работы.
• 4. Определение толщины тепловой изоляции данного типа с учетом всех влияющих факторов для обеспечения требований СНиП. Данные расчеты также на практике практически не проводятся по причинам, отмеченным в предыдущем пункте.

Авторами разработан комплекс программ, удобных для пользователя, который позволяет быстро и качественно решать поставленные задачи.

В качестве примера остановимся на последних двух задачах, как наиболее сложных и интересных для практического применения.

В настоящее время при реконструкции тепловых сетей или прокладке новых, для определения нормативной толщины изоляции, должен использоваться СНиП 41−03−2003 «Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов» [2], а также СП 41−103−2000 «Проектирование тепловой изоляции оборудования и трубопроводов» [3]. По нормативным значениям плотности теплового потока производится расчет соответственно нормативной толщины изоляции, которая зависит от диаметра трубопровода, типа прокладки трубопроводов, от температуры теплоносителя и параметров окружающей среды.

В качестве примера приведена зависимость нормативной толщины изоляции от температуры теплоносителя при надземном способе прокладки трубопроводов для наружного диаметра трубы 57 мм.

Рисунок 1 — Нормативная толщина изоляции трубопровода (надземная прокладка) К сожалению, обычно требуемая толщина теплоизоляции вообще не рассчитывается, это характерно как для промышленных предприятий, так и МУП ЖКХ.

Требования СНиП для тепловой изоляции обновляются не так часто. Начиная с 1959 года было разработано только 4 нормативных документа, регламентирующих нормативы тепловых потерь теплоизолированных трубопроводов. Очевидно, что СНиП учитывает лишь общие тенденции к ужесточению требований к потерям тепла при транспорте теплоносителя. При этом сложно учесть влияние всех факторов, особенно экономических для всего перечня диаметров трубопроводов, поэтому определение требуемой толщины тепловой изоляции, обеспечивающей нормативные потери тепла, не всегда является экономически обоснованным. Наиболее правильно на наш взгляд рассчитывать оптимальную толщину изоляционного покрытия для конкретных условий сегодняшнего дня с учетом оценки перспектив изменения основных влияющих факторов [4], [5].

Критерием оптимизации является минимум суммы затрат на покупку материала тепловой изоляции и покрывного материала, которые растут с увеличением толщины изоляции, и издержек на тепловые потери, которые, соответственно, уменьшаются с ростом толщины изоляции (см. рисунок 2).

Рисунок 2 — Принцип оптимизации толщины изоляции Для практических расчетов реализована компьютерная программа, которая позволяет определить оптимальную толщину теплоизоляции для конкретных условий работы трубопровода. Расчет возможен для различных видов прокладки трубопроводов: надземной, подземной бесканальной и подземной канальной. В каждом случае используются соответствующие типу прокладки формулы для расчета процесса теплообмена [6]. В программе учтено возможное изменение тарифа на теплоту в течение периода эксплуатации, а также ухудшение теплоизоляционных свойств тепловой изоляции.

В качестве расчетной температуры окружающей среды принимается среднегодовая температура наружного воздуха при надземной прокладке по СНиП «Строительная климатология» [7] и среднегодовая температура грунта на глубине заложения оси теплопровода при подземной прокладке. За расчетную температуру теплоносителя принимается среднегодовая температура в зависимости от температурного графика тепловой сети.

Внешний вид окна ввода данных приведен на рисунке 3 — для надземной прокладки, на рисунке 4 — подземной канальной и бесканальной.

Рисунок 3 — Внешний вид окна ввода данных для надземной прокладки.

Рисунок 4 — Внешний вид окна ввода данных для подземной прокладки Расчеты показали, что на величину оптимальной толщины теплоизоляции влияют такие факторы, как температура теплоносителя, диаметр трубопровода, коэффициент теплопроводности теплоизоляционного материала и его изменение в процессе эксплуатации, скорость ветра (при надземной прокладке), температура окружающей среды, а также срок эксплуатации трубопровода. Изменение теплофизических свойств теплоизоляции (в сторону увеличения коэффициента теплопроводности) характеризуется константой работоспособности материала [8].

Исключительно большое влияние на определение оптимальной толщины тепловой изоляции оказывает принадлежность источника теплоты и, соответственно, стоимость отпускаемой теплоты для потребителя. В случае стороннего источника величина экономии рассчитывается с учетом стоимости единицы тепла. Если же источник тепла принадлежит данной организации, ведущей работы по замене тепловой изоляции трубопроводов различного назначения или проектированию новых тепловых сетей, расчеты проводятся с учетом стоимости сэкономленного топлива. С учетом того, что топливная составляющая в себестоимости Гкал тепла находится в пределах 10−30%, принадлежность источника тепла может оказать большое влияние на выбор оптимальной толщины изоляции.

В качестве примера на рисунке 5 представлена зависимость оптимальной толщины изоляции от температуры теплоносителя для различных материалов при надземной прокладке трубопровода.

Рисунок 5 — Зависимость оптимальной толщины изоляции от температуры теплоносителя (надземная прокладка) Исходные данные для расчета:

• — внешний диаметр трубопровода: 219 мм;
• — материал теплоизоляции: пенополиуретан; пенокаучук К-флекс; минеральная вата;
• — климатические данные для г. Москвы;
• — использованная в расчетах стоимость изоляции соответственно: 18 500 руб/м³; 60 000 руб/м³; 4000 руб/м³;
• — стоимость покрывного материала: 300 руб/м²;
• — число часов использования трубопровода в год: 8000 ч;
• — срок эксплуатации соответственно: 25 лет; 25 лет; 10 лет;
• — стоимость тепловой энергии: 250 руб/ГДж;
• — коэффициент удорожания теплоты: 1,05;
• — константа работоспособности: пенополиуретан 0,007; пенокаучук К-флекс 0,0065;

минеральная вата 0,018;

— теплоснабжение от собственного источника.

Как видно из рисунка, с увеличением температуры теплоносителя и коэффициента теплопроводности изоляционного материала, оптимальная толщина тепловой изоляции увеличивается.

Также большое влияние на величину оптимальной толщины теплоизоляции оказывают исходные условия решаемой задачи, а именно стоимость теплоизоляции. Так, например, стоимость предизолированных труб в пенополиуретановой теплоизоляции будет существенно отличаться от стоимости скорлуп ППУ. Таким образом, будет различаться и оптимальная толщина теплоизоляции. Интерес представляет сравнение толщин тепловой изоляции, рассчитанных по нормам СНиП и определенные с использованием оптимизационных расчетов. На рисунке 6 представлены результаты расчетов толщины ППУ теплоизоляции для подземного бесканального способа прокладки.

Рисунок 6 — Сравнение оптимальной и нормативной толщин теплоизоляции.

1 — толщина теплоизоляции, определенная по СНиП; 2 — оптимальная толщина изоляции с учетом стоимости предизолированной трубы; 3 — оптимальная толщина теплоизоляции с учетом стоимости скорлупы ППУ.

Исходные данные:

• — внешний диаметр трубопровода: 219 мм;
• — материал теплоизоляции: пенополиуретан;
• — теплопроводность грунта л_гр=1,36 Вт/м•К;
• — глубина прокладки оси теплотрассы 1,5 м;
• — температурный график 65/50 °С;
• — расстояние между трубами 1 м;
• — стоимость теплоизоляции с учетом стоимости трубы: 50 000 руб/м³;
• — стоимость покрытия изоляции: 300 руб/м²;
• — стоимость скорлупы ППУ: 18 500 руб/м³;
• — число часов использования трубопровода в год: 8000 ч;
• — срок эксплуатации: 20 лет;
• — стоимость тепловой энергии: 250 руб/ГДж;
• — коэффициент удорожания теплоты: 1,05;
• — константа работоспособности: 0,165;
• — теплоснабжение от стороннего источника.

Как видно из рисунка, оптимальная толщина тепловой изоляции не совпадает с толщиной изоляции, определенной по СНиП. Кроме того, она отличается для прямого и обратного трубопровода, т.к. зависит от температуры теплоносителя.

Программа позволяет определить не только оптимальную толщину изоляции, но и нормативную, а также определить тепловые потери, как с изолированных, так и неизолированных трубопроводов. Также программа позволяет определить некоторые экономические параметры, такие как срок окупаемости изоляционной конструкции, а также чистый дисконтированный доход, отражающий экономическую эффективность реализованного проекта.

Применение разработанной программы по определению оптимальной толщины изоляции является простым и быстро окупающимся мероприятием, направленным на экономию тепловой энергии и реализацию программы по энергосбережению.

Данная работа выполнялась при поддержке по гранту Президента РФ МК-2318.2009.8.

• 1. Приказ Минпромэнерго РФ от 04.10.2005 N 265 (ред. от 01.11.2007). Об организации в Министерстве промышленности и энергетики Российской Федерации работы по утверждению нормативов технологических потерь при передаче тепловой энергии.
• 2. СНиП 41−03−2003. Тепловая изоляция оборудования и теплопроводов.
• 3. СП 41−103−2000. Проектирование тепловой изоляции оборудования и трубопроводов.
• 4. Т.Ю.Полуэктова, В. Г. Хромченков, Ю.В.Яворовский Определение оптимальной толщины изоляции // Шестнадцатая Международная научно-техническая конференция «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика»: тез.докл. В 3-х т. М.: Издательский дом МЭИ, 2010. Т.3. С.489−490.
• 5. Шойхет Б. М., Овчаренко Е. Г., Мелех А. С. Региональные нормы по тепловой изоляции промышленного оборудования и трубопроводов // Энергосбережение. 2001.№ 6. С.65−67.
• 6. Соколов Е.Я. Теплофикация и тепловые сети // М.: Издательство МЭИ, 2001 — 472 с.
• 7. СНиП 23−01−99. Строительная климатология.
• 8. МДС 41−7.2004. Методика оценки влияния влажности на эффективность теплоизоляции оборудования и трубопроводов.